(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211157167.X (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 中国人民解 放军海军航空大 学青岛 校区 地址 266041 山东省青岛市李沧区四流中 路2号 (72)发明人 秦海勤　焦为　谢镇波　任立坤　 李边疆　谢静　蔡娜　于晓琳　 马中原　 (74)专利代理 机构 北京云嘉 湃富知识产权代理 有限公司 1 1678 专利代理师 谢子运 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 裂纹直齿轮啮合刚度评估 方法、 系统及存储 介质和终端设备 (57)摘要 本发明公开了裂纹直齿轮啮合刚度评估方 法、 系统及存储介质和终端设备， 通过建立准确 的齿根过渡曲线方程、 渐开线齿廓起始圆半径方 程、 齿根圆半径方程、 基圆半径方程， 并利用赫兹 接触理论确定赫兹接触刚度， 同时计算齿基刚 度； 结合应力分布梯度和有限元法拟合裂纹对轮 齿有效齿厚的削减程度， 确定裂纹轮齿的有效齿 厚； 根据得到的有效齿厚确定有效齿厚的截面惯 性矩和有效齿厚的截面面积， 进而推导啮合过程 中的弯曲刚度、 剪切刚度和轴向压缩刚度； 根据 得到的各种刚度， 综合评估大齿数裂纹齿轮时变 啮合刚度。 本发明提出的评估方法计算效率高、 结果准确， 特别是针对深度较大的裂纹其优势更 为明显， 对齿轮故障机理研究和齿轮系统故障诊 断具有重要意 义。 权利要求书3页 说明书7页 附图8页 CN 115510575 A 2022.12.23 CN 115510575 A 1.裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： Step1、 根据实际的裂纹直齿轮的几何特点， 建立准确的齿根过渡曲线方程、 渐开线齿 廓起始圆半径方程、 齿根圆半径方程、 基圆半径方程， 并利用赫兹接触理论确定赫兹接触刚 度， 同时计算齿基刚度； Step2、 结合应力分布梯度和有限元法拟合裂纹对轮齿有效齿厚的削减程度， 根据裂纹 位于轮齿中线以上或以下， 分情况确定裂纹轮齿的有效齿厚， 进而确定有效齿厚削减线直 线方程； Step3、 根据Step2得到的有效齿厚， 确定有效齿厚的截面惯性矩和有效齿厚的截面面 积， 进而推导啮合过程中的弯曲刚度、 剪切刚度和轴向压缩刚度； Step4、 根据Step3得到的各种刚度， 综合评估裂纹直齿轮时变啮合刚度。 2.根据权利 要求1所述的裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特征在于， Step1中， 齿根过 渡曲线参数 方程为： 式中， r为分度圆半径； φ＝(a/tanγ+b)/r； 为刀顶圆角圆心与轮齿 中线的距离； 为刀顶圆角圆心到刀具齿槽中心线的距 离； ρ ＝c*m/(1‑sinα0)为刀顶圆角半径； m为模 数； 为齿顶高系数； c*为顶隙系数； α0为压力 角； γ为参变量， 其范围为[α0,90°]； 渐开线齿廓起始圆半径 rG方程、 齿根圆半径 rf方程、 基圆半径 rb方程分别为： 式中， m为模数， N 为齿数， α0为压力角， c*分别为齿顶高系数和顶隙系数。 3.根据权利 要求2所述的裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特征在于， Step1中， 赫兹接 触刚度kh的计算公式为： 式中， E和 υ分别为材 料的弹性模量和泊松比， L 为齿宽； 齿基刚度kf的公式为： 式中， θf是半齿根角， hfi＝rf/rint， β 是啮合角， L*、 M*、 P*、 Q*是hfi、 θf的函数， 可由下式计权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115510575 A 2算： 4.根据权利 要求3所述的裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特征在于， Step2中， 将裂纹 尖端和轮齿端点的连接斜线作为齿厚的削减线， 并根据裂纹的位置， 分情况确定轮齿的有 效厚度， 具体过程 为： 当裂纹位于轮齿中线以上时， 裂纹长度q＝q1， 裂纹终点为A(yA,xA)， K(yK,xK)为渐开线 齿廓终点， 由A(yA,xA)， K(yK,xK)求得有效齿厚削减线AK的方程： 当裂纹扩展至轮齿中心线以下时， 裂纹长度q＝q1max+q2， 裂纹终点B(yB,xB)， 此时求得有 效齿厚削减线BK的方程 为： 5.根据权利要求4所述的裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特征在于， Step3中有效齿 厚的截面惯性矩Ix和有效齿厚的截面 面积Ax计算公式为： Ax＝(gx+hx)L Ix＝(gx+hx)3L/12 式中， gx为距等效悬臂梁水平距离为dy处点的纵坐标， 点H为齿根过渡曲线起点， xH为该点横 坐标， q1为裂纹长度， ν为裂纹扩展角， α2＝π/2N+invα0代表半基齿角， α 为啮合角； dy为渐开 线任一点到齿根处点H的水平距离， d1为裂纹终点到齿根处点H的水平距离， d2为渐开线齿廓 起点到点H的水平 距离， da为啮合力作用点到点H的水平 距离。 6.根据权利 要求5所述的裂纹直齿轮啮合刚度评估方法， 其特征在于， Step3中， 弯曲刚 度kb、 剪切刚度ks和轴向压缩刚度ka通过弯曲势能Ub、 剪切势能Us和轴向压缩势能Ua分别反 向推导求得， 各势能的表达式分别为： 式中， E为剪切模量； G为弹性模量； L为齿宽； υ为泊松比； Ix、 AX分别为距离齿根圆dy处轮 齿截面的惯性矩和有效截面面积， F为啮合力， Fb、 Fa分别为力F在竖直和水平方向上的分力， d为啮合力F到齿根圆处点H的水平距离， dy为齿廓上任意一点到齿根圆的距离， h为啮合力F权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115510575 A 3